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DE102008060332A1 - Microfluidic sorting device with optical tweezers - Google Patents

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DE102008060332A1
DE102008060332A1 DE102008060332A DE102008060332A DE102008060332A1 DE 102008060332 A1 DE102008060332 A1 DE 102008060332A1 DE 102008060332 A DE102008060332 A DE 102008060332A DE 102008060332 A DE102008060332 A DE 102008060332A DE 102008060332 A1 DE102008060332 A1 DE 102008060332A1
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particle
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Alexander Prof. Rohrbach
Benjamin Landenberger
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Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sortiervorrichtung zum Sortieren von Partikeln sowie auf ein entsprechendes Verfahren. Dabei bezeichnet der Begriff Partikel lebende Zellen, Zellteile oder Kügelchen mit Durchmessern von einigen 100 Nanometern bis einige Mikrometer. Um eine Sortiervorrichtung zum Sortieren von Partikeln sowie ein zugehöriges Sortierverfahren anzugeben, das die Nachteile der bekannten Systeme überwindet und die Entwicklung eines flexiblen, schnellen und kostengünstitung eine miniaturisierte Durchflusszelle mit einem Kanal, der im Betrieb laminar von einer die zu sortierenden Partikel enthaltenden Probenlösung durchströmt wird. Weiterhin ist mindestens eine optische Detektionseinheit zum Bestimmen einer geometrischen Position der zu sortierenden Partikel vorgesehen. Eine über einen Spiegel oder einen akusto-optischen Deflektor auslenkbare optische Pinzette ist zum sequentiellen Sortieren der klassifizierten Partikel durch gezieltes Bewegen des Partikels aus der detektierten Position in eine vorbestimmte Zielposition in dem laminaren Probenlösungsstrom vorgesehen.The present invention relates to a sorting apparatus for sorting particles and to a corresponding method. The term particles refers to living cells, cell parts or globules with diameters of a few hundred nanometers to a few micrometers. To provide a sorting device for sorting of particles and an associated sorting method, which overcomes the disadvantages of the known systems and the development of a flexible, fast and kostenitung a miniaturized flow cell with a channel which is laminar flows through a sample solution containing the particles to be sorted in operation , Furthermore, at least one optical detection unit is provided for determining a geometric position of the particles to be sorted. An optical tweeter deflectable by a mirror or an acousto-optic deflector is provided for sequentially sorting the classified particles by selectively moving the particle from the detected position to a predetermined target position in the laminar sample solution stream.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sortiervorrichtung zum Sortieren von Partikeln sowie auf ein entsprechendes Verfahren. Dabei bezeichnet der Begriff Partikel lebende Zellen, Zellteile oder Kügelchen (so genannte „Beads”) mit Durchmessern von einigen 100 Nanometern bis einigen Mikrometern.The The present invention relates to a sorting apparatus for Sorting of particles as well as a corresponding procedure. The term particles refers to living cells, cell parts or Beads (so-called "beads") with diameters from a few 100 nanometers to a few micrometers.

Das Sortieren kleiner Partikel hat in den letzten Jahren insbesondere in der Biotechnologie große Bedeutung erlangt. Es besteht ein zunehmender Bedarf, funktionalisierte Kügelchen, biologische Zellen oder Chromosomen anhand einer Vielzahl von Charakteristika aus einem Gemisch abzutrennen. Zellen beispielsweise müssen oft anhand ihrer Gestalt und Größe oder anhand der Verteilung eines Fluoreszenzfarbstoffes separiert werden. Diese Farbstoffe können an spezifische Moleküle angebunden werden, welche wiederum an Target-Proteine anbinden, oder sie können eine DNA-Sequenz innerhalb des Zellkerns kennzeichnen. Weitere mögliche Kopplungsmechanismen und Anwendungsgebiete für Fluoreszenzfarbstoffe sind dem Fachmann selbstverständlich geläufig.The Sorting small particles has been particular in recent years has become very important in biotechnology. It exists an increasing need, functionalized beads, biological Cells or chromosomes by a variety of characteristics to separate from a mixture. For example, cells must often based on their shape and size or based the distribution of a fluorescent dye are separated. These Dyes can be attached to specific molecules which in turn bind to target proteins, or they can characterize a DNA sequence within the nucleus. Other possible Coupling mechanisms and fields of application for fluorescent dyes are of course familiar to the expert.

Eine interessante Eigenschaft lebender Zellen ist ihre Fähigkeit, fluoreszente Proteine (z. B. green fluorescent proteins, GFP) zu synthetisieren, die unter anderem die erfolgreiche Transfektion von DNA in eine Zelle signalisieren. Ein weiteres Beispiel ist die Anzeige des Replikationspotentials von hämatopoetischen Stammzellen.A interesting property of living cells is their ability to fluorescent proteins (eg green fluorescent proteins, GFP) synthesize, among other things, the successful transfection signaling DNA into a cell. Another example is the Display of the replication potential of hematopoietic Stem cells.

Weiterhin steht die Analyse kodierter Proteine nach der erfolgreichen Sequenzierung des Humangenoms im Rahmen des Humangenomprojektes im Vordergrund heutiger Forschung und Entwicklung. In diesem Zusammenhang werden Proteinmikroarrays und gemultiplexten Sandwichimmunoassays, die darauf basieren, dass Proteine an Kügelchen gebunden werden, die größten Chancen eingeräumt. Auch hier dominiert die Fluoreszenzmarkierung über andere Techniken, wie beispielsweise eine Separierung mittels magnetischer Marker.Farther is the analysis of encoded proteins after successful sequencing of the human genome in the context of the human genome project in the foreground Today's research and development. In this context will be Protein microarrays and multiplexed sandwich immunoassays based on binding proteins to beads, the biggest opportunities. Also here fluorescence labeling dominates over other techniques, such as separation by means of magnetic markers.

Es ist bekannt, kleine Partikel mit Hilfe fluoreszenzaktivierter Zellsortierer, sogenannter fluorescent activated cell sorters, FACS, zu sortieren. Bei diesen bekannten FACS-Geräten werden die Partikel in winzige Tröpfchen eingebettet, mittels einer Elektrode aufgeladen und dann in einem elektrischen Feld abgelenkt, nachdem ihr Emissionsspektrum analysiert worden ist. Bei dieser Technik befinden sich die Partikel zunächst im Fluid-Strom, werden dann in Tröpfchen separiert und anschließend erst sortiert. Diese Tröpfchenseparation ist technisch vergleichsweise aufwändig.It is known, small particles with the aid of fluorescence-activated cell sorters, so-called fluorescent activated cell sorters, FACS. In these known FACS devices, the particles in embedded tiny droplets, by means of an electrode charged and then deflected in an electric field after their emission spectrum has been analyzed. In this technique the particles are initially in the fluid stream, then become separated into droplets and then sorted first. This droplet separation is technically relatively consuming.

FACS ist gut untersucht, schnell und verlässlich, aber diese Technik weist einige gravierende Nachteile auf.FACS is well studied, fast and reliable, but this Technology has some serious disadvantages.

Zum einen erfordern die Geräte relativ große Probenvolumina, zum anderen können sie nur durch speziell ausgebildetes Personal bedient und gewartet werden und zudem stellt die Sterilisation ein Problem dar. Die Effizienz der Sortierung nimmt für Probenmengen von weniger als 100.000 Zellen deutlich ab. Darüber hinaus sind die Anschaffungs- und Betriebskosten der FACS-Geräte für kleinere Laboratorien in der Regel zu hoch. Schließlich ist ein portables Einmalsystem auf der Basis der FACS-Technik gegenwärtig nicht absehbar.To the one the devices require relatively large sample volumes, for another, they can only be through specially trained Staff are serviced and maintained and also provides sterilization a problem. The efficiency of sorting is decreasing Sample volumes of less than 100,000 cells significantly. About that In addition, the acquisition and operating costs of the FACS devices usually too high for smaller laboratories. After all is a portable single-use system based on the FACS technology currently available not foreseeable.

Optische Kräfte stellen für die Verwendung beim Sortieren kleiner Partikel in der Biotechnologie eine vielversprechende Alternative dar. Mit optischen Fallen oder optischen Pinzetten, wie sie häufig genannt werden, können Partikel in allen drei Raumrichtungen mit hoher Präzision bewegt werden. Da bei dieser Technik kein mechanischer Kontakt zwischen Manipulationseinrichtung und Partikel stattfindet, werden Anhaftungsprobleme, die normalerweise bei diesen Größenverhältnissen von großer Bedeutung sind, vollständig vermieden. Wenn Objektivlinsen mit hoher numerischer Apertur verwendet werden, können hohe Gradienten des elektrischen Feldes und somit hohe optische Kräfte auf lebendes Gewebe ausgeübt werden, wobei die Gesamtintensität auf einem vertretbaren Wert gehalten werden kann, sodass Zellschädigungen vermieden werden können.optical Forces for use in sorting small particles in biotechnology a promising alternative With optical traps or optical tweezers, as is common can be called particles in all three spatial directions be moved with high precision. As with this technique no mechanical contact between manipulation device and Particles take place, attachment problems are usually present these proportions of large Meaning are completely avoided. If objective lenses can be used with high numerical aperture high gradient of the electric field and thus high optical Forces are exerted on living tissue, where the overall intensity is kept at a reasonable level can be avoided, so cell damage can be avoided.

Diese schonende Behandlung kann dadurch unterstützt werden, dass für die Falle Licht mit einer Wellenlänge im Infrarotbereich verwendet wird, das nicht durch die wässrige Lösung im Inneren der Zelle absorbiert wird. Optische Fallen erlauben eine sehr schnelle Verschiebung von Partikeln und ermöglichen eine Parallelisierung über multiple Fallen oder optische Gitter. Darüber hinaus können die Kräfte auf die eingefangenen Teilchen in einfacher Weise durch die Laserleistung und den Wellenlän genbereich von Nanonewton bis einigen Femtonewton eingestellt werden. Gleichzeitig kann die Position mit einer Nanometerpräzision gesteuert und gemessen werden.These Gentle treatment can be supported by that for the case light with a wavelength in the infrared range not used by the aqueous solution is absorbed inside the cell. Optical traps allow one very fast displacement of particles and allow a parallelization via multiple traps or optical Grid. In addition, the forces can to the trapped particles in a simple manner by the laser power and the wavelength range from Nanonewton to some Femtonewton be set. At the same time, the position with controlled and measured by a nanometer precision.

Es existieren verschiedene Ansätze, optische Manipulation mit mikrofluidischen Systemen zu kombinieren, um eine Partikelsortierung zu erreichen. Miniaturisierte Durchflusskammern können beispielsweise mit Hilfe der sogenannten Softlithographie innerhalb einiger Stunden als Einzelteile hergestellt werden. Auf diese Weise können verschiedene Geometrien während der Entwicklungsphase flexibel getestet werden. Da die Kosten für Material und Herstellungswerkzeuge relativ niedrig sind, können derartige Kammern sowohl als billige und tragbare Wegwerfartikel, wie auch als wiederverwertbare Kammern hergestellt werden. Die geringen Kanaldimensionen verlangen nur geringe Volumina an Transportmedium und weniger an teuren biochemischen Reagenzien.There are various approaches to combine optical manipulation with microfluidic systems to achieve particle sorting. Miniaturized flow chambers can be produced as individual parts within a few hours, for example by means of so-called soft lithography. In this way, different geometries can be flexibly tested during the development phase. Since the cost of materials and manufacturing tools are relatively low, such chambers can be both cheap and portable Disposable articles, as well as being made as reusable chambers. The small channel dimensions require only small volumes of transport medium and less expensive biochemical reagents.

Die Konzepte bei bekannten mikrofluidischen Systemen mit optischer Manipulation können in passive und aktive Sortierstrategien unterteilt werden. Im Fall des passiven Sortierens werden optische Gitter oder optische Linienpinzetten mit asymmetrischem Intensitätsprofil verwendet. Sie erlauben ein effizientes paralleles Sortieren von Kügelchen, sind aber auf eine Unterscheidung anhand der Größe oder des Brechungsindex beschränkt.The Concepts in known microfluidic systems with optical manipulation can be divided into passive and active sorting strategies become. In the case of passive sorting, optical grids or optical line tweezers with asymmetrical intensity profile used. They allow an efficient parallel sorting of Globules, but are based on a distinction based on the Size or refractive index limited.

Beinahe alle vielversprechenden aktiven Sortiervorrichtungen arbeiten in mikrofluidischer Umgebung, aber unterscheiden sich entsprechend ihrer Partikelklassifizierungs- und Manipulierungsstrategien. Beispielsweise ist bekannt, Partikel in eine Vielzahl von Mikrokanälen zu sortieren, indem eine statische Linienfalle zeitweise aktiviert wird. Außerdem nutzt keine Methode dreidimensionale optische Fangkräfte aus, was eine optische Pinzette definiert.Nearly all promising active graders work in microfluidic environment, but differ accordingly their particle classification and manipulation strategies. For example is known to particles in a variety of microchannels to sort by temporarily activating a static line trap becomes. In addition, no method uses three-dimensional optical forces what defines optical tweezers.

Weiterhin existieren Sortiervorrichtungen, bei denen die Teilchen hydrodynamisch innerhalb eines Sortierkanals fokussiert werden, um durch Aktivieren einer statischen Falle, die durch einen Laser erzeugt wird, sortiert zu werden. Ein Beispiel für eine solche bei Bedarf einschaltbare optische Falle ist in Lin et al. „Microfluidic cell sorter/counter utilizing multiple particle tracing technique and optically switching approach” Biomed Microdevices (2008) 10: 55–63 , beschrieben.Furthermore, there are sorting devices in which the particles are hydrodynamically focused within a sorting channel to be sorted by activating a static trap generated by a laser. An example of such an optically switchable optical trap is in Lin et al. Biomed Microdevices (2008) 10: 55-63. "Microfluidic cell sorter / counter utilizing multiple particle tracing technique and optically switching approach." , described.

Die Fluoreszenz der Partikel kann, ähnlich wie bei einer FACS-Vorrichtung, dadurch analysiert werden, dass die Emissionswellenlänge mit einer Photomultiplierröhre detektiert wird. Sie kann aber auch mit einer CCD- oder CMOS-Kamera, als 2D Bild gemessen und analysiert werden.The Fluorescence of the particles may be similar to a FACS device, be analyzed by that the emission wavelength is detected with a photomultiplier tube. she can but also with a CCD or CMOS camera, measured as a 2D image and analyzed.

Als Alternative zu optischer Manipulation könnte auch eine dielektrophoretische Sortierung verwendet werden. Dielektrophoretische Kräfte basieren auf derselben Physik wie optische Kräfte, aber die Sortiervorrichtungen arbeiten mit einer sehr viel größeren Wellenlänge und die Feldgradienten und Kräfte sind deshalb viel geringer. Da elektrische Felder außerdem mittels fester Elektroden angelegt werden, ist die Flexibilität bezüglich unterschiedlicher Sortierschemata gering.When An alternative to optical manipulation could also be one dielectrophoretic sorting can be used. dielectropherotic Forces are based on the same physics as optical forces, but the sorters work with a much larger one Wavelength and field gradients and forces are therefore much lower. As electric fields as well are applied by means of fixed electrodes, is the flexibility low with regard to different sorting schemes.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht daher darin, eine Sortiervorrichtung zum Sortieren von Partikeln sowie ein zugehöriges Sortierverfahren anzugeben, das die Nachteile der bekannten Systeme überwindet und die Entwicklung eines flexiblen, schnellen und kostengünstigen Systems ermöglicht.The Task underlying the present invention consists therefore, a sorter for sorting particles as well as an associated sorting method, which the Disadvantages of the known systems overcomes and development a flexible, fast and cost-effective system allows.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.These The object is achieved by the subject matter of the independent patent claims solved. Advantageous developments of the present invention are Subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Idee, dass eine Sortiervorrichtung zum Sortieren von Partikeln eine miniaturisierte Durchflusszelle mit einem Kanal, der im Betrieb laminar von einer die zu sortierenden Partikel enthaltenden Probenlösung durchströmt wird, umfasst. Weiterhin ist eine optische Detektionseinheit zum Bestimmen einer geometrischen Position der zu sortierenden Partikel und zum optischen Klassifizieren der zu sortierenden Partikel vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst die Sortiervorrichtung außerdem eine dynamische optische Pinzette zum sequentiellen Sortieren der klassifizierten Partikel durch gezieltes Bewegen des Partikels aus der detektierten Position in eine vorbestimmte Zielposition in dem laminaren Probenlösungsstrom. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Sortiervorrichtung durch die Verwendung einer dreidimensionalen Falle in der Lage, die Partikel dynamisch im (dreidimensionalen) Raum zu bewegen.The The present invention is based on the idea that a sorting device for sorting particles a miniaturized flow cell with a channel that is laminar in operation from one to be sorted Particles containing sample solution flows through is included. Furthermore, an optical detection unit for Determining a geometric position of the particles to be sorted and for optically classifying the particles to be sorted. According to the invention, the sorting device comprises also a dynamic optical tweezer for sequential Sorting the classified particles by selectively moving the Particles from the detected position to a predetermined target position in the laminar sample solution stream. In particular, the Inventive sorting device by the Using a three-dimensional trap capable of the particles to move dynamically in (three-dimensional) space.

Mit einer solchen Anordnung können Partikel mit Hilfe eines dynamischen hochfokussierten Kraftfeldes verschoben werden, wobei die gesamte Anordnung in wässriger Lösung arbeitet. Durch den Einsatz in mirkrofluidischer Umgebung kann die Gesamtmenge an benötigten Reagenzien signifikant reduziert werden.With Such an arrangement, particles with the help of a dynamic high-focussed force field are shifted, wherein the entire arrangement works in aqueous solution. By use in a microfluidic environment, the total amount significantly reduced on required reagents.

Dabei wird im Sinne der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „optischer Pinzette” ein hochfokussierter Laser verstanden, der als physikalisches Prinzip die dreidimensionale optische Gradientenkraft verwendet. Der Strahlungsdruck ist hier vernachlässigbar. Diese optische Gradientenkraft beruht im Wesentlichen auf Dipolkräften und wirkt am stärksten lateral zur Strahlrichtung. Ashkin et al. „Observation of a singlebeam gradient force optical trap for dielectric particles” Optics Letters, Vol. 11, No. 5, May 1986, 288–290 , beschreibt im Detail die auftretenden optischen Kräfte.For the purposes of the present invention, the term "optical tweezers" is understood to mean a highly focused laser which uses the three-dimensional optical gradient force as the physical principle. The radiation pressure is negligible here. This optical gradient force is based essentially on dipole forces and acts most lateral to the beam direction. Ashkin et al. Optics Letters, Vol. 11, no. 5, May 1986, 288-290 , describes in detail the occurring optical forces.

Der Vorteil gegenüber einer Verwendung schwach fokussierter Laserstrahlung besteht vor allem darin, dass die Effizienz bei gleicher Laserleistungsstärke und die Wirkung wesentlich höher ist. Damit ist das Risiko einer Zellschädigung signifikant reduziert. Die Verwendung sehr hoher Laserleistungen hat auch zusätzlich wirtschaftliche Nachteile, wie Beeinträchtigung der Laborsicherheit oder hohe Anschaffungskosten der Apparatur.Of the Advantage over using weakly focused Laser radiation consists mainly in that the efficiency at the same Laser power and the effect much higher is. This significantly reduces the risk of cell damage. The use of very high laser powers also has in addition economic disadvantages, such as impairment of laboratory safety or high initial cost of the apparatus.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die optische Detektionseinheit eine erste Lichtquelle, um die Durchflusszelle zu durchleuchten sowie eine digitale Bildverarbeitungseinheit, um ein Durchlichtbild der Durchflusszelle auszuwerten. Auf diese Weise kann ein vollautomatischer Betrieb ermöglicht werden. Die optische Pinzette wird in Antwort auf die detektierte Position der zu sortierenden Partikel jeweils gezielt auf das Partikel gerichtet und angesteuert, um das Partikel zu bewegen.According to an advantageous embodiment of According to the present invention, the optical detection unit comprises a first light source to illuminate the flow cell and a digital image processing unit to evaluate a transmission image of the flow cell. In this way, a fully automatic operation can be enabled. In response to the detected position of the particles to be sorted, the optical tweezers are respectively targeted to the particle and driven to move the particle.

Durch die Verwendung einer laminaren Strömung bewirkt das Verschieben des Partikels in eine definierte Zielposition den Weitertransport des Partikels in einen vorbestimmten Ausgangskanal. Auf diese Weise ist es möglich, auf eine Vielzahl von Ausgangskanälen zu sortieren und damit ein paralleles Sortieren unterschiedlicher Partikel aus einem Partikelgemisch durchzuführen.By the use of a laminar flow causes the displacement of the particle in a defined target position onward transport of the particle in a predetermined output channel. In this way It is possible on a variety of output channels to sort and thus a parallel sorting different To carry out particles from a particle mixture.

Für die vollautomatisierte Weiterverarbeitung der optischen Information bezüglich der zu sortierenden Partikel umfasst die digitale Bildverarbeitungseinheit gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform eine CCD-Kamera (charged couple device).For the fully automated further processing of the optical information regarding the particles to be sorted includes the digital Image processing unit according to an advantageous Embodiment of a CCD camera (charged couple device).

Die Lichtquelle, die dazu verwendet wird, ein Durchlichtbild zu erstellen, kann beispielsweise eine lichtemittierende Diode, LED, umfassen.The Light source that is used to create a transmitted light image For example, it may include a light emitting diode, LED.

Häufig handelt es sich bei den zu detektierenden Partikeln um ganze, oft lebende, Zellen. Um den Sortiervorgang für solche Zellen möglichst schonend durchführen zu können, ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung die digitale Bildverarbeitungseinheit angepasst, die Außenhülle der Zelle und deren exakte Position im Probenlösungsstrom zu detektieren. Anhand der festgestellten Position der Zelle und insbesondere ihrer Außenhülle kann der stark fokussierte Laserstrahl der optischen Pinzette so angesteuert werden, dass er gezielt auf die Membran der Außenhülle gerichtet ist. Auf diese Weise wird eine Schädigung der im Inneren der Zelle befindlichen Elemente weitestgehend vermieden.Often If the particles to be detected are whole, often living, cells. To the sorting process for such cells to perform as gently as possible, is in accordance with an advantageous embodiment of present invention adapted the digital image processing unit, the outer shell of the cell and its exact position to detect in the sample solution stream. Based on the noted Position of the cell and in particular its outer shell so can the highly focused laser beam of optical tweezers be directed that he targeted the membrane of the outer shell is directed. In this way, damage to the located inside the cell elements largely avoided.

Zusätzlich oder auch alternativ zu der Analyse anhand des sichtbaren Lichts kann eine Auswertung von Fluoreszenzstrahlung, die von den zu sortierenden Partikeln emittiert wird, erfolgen. Wie bereits erwähnt, kann diese Fluoreszenzstrahlung von künstlich angebrachten Fluoreszenzmarkern stammen oder aber durch die Zelle selbst erzeugt sein.additionally or alternatively to the analysis based on the visible light can be an evaluation of fluorescence radiation to be sorted by the Particles emitted is done. As already mentioned, This fluorescence radiation can be artificially applied Fluorescence markers are derived or generated by the cell itself be.

Entsprechend der zu detektierenden Fluoreszenzstrahlung muss als Empfänger eine Detektionseinheit vorgesehen sein, die in dem gesuchten Wellenlängenbereich empfindlich ist.Corresponding the fluorescence radiation to be detected must be used as the receiver a detection unit may be provided which is in the sought wavelength range is sensitive.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist die Sortiervorrichtung an einem handelsüblichen Mikroskop montierbar, sodass die Kosten für die Einrichtung eines derartigen Sortierarbeitsplatzes möglichst gering gehalten werden können.According to one Advantageous development of the present invention is the sorting device mountable on a standard microscope, so that the Cost of setting up such sorting workstation can be kept as low as possible.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und denselben Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.following The present invention is based on preferred embodiments explained in more detail with reference to the accompanying drawings. In this case, the same parts with the same reference numerals and the same Component names provided. Furthermore, features can also or combinations of features from the different ones shown and described Embodiments for themselves inventive or inventive solutions represent.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine perspektivische Schemadarstellung einer Durchflusszelle während eines Sortiervorgangs für zwei Sorten von Partikeln; 1 a perspective schematic representation of a flow cell during a sorting process for two types of particles;

2 eine Übersichtsdarstellung der erfindungsgemäßen Sortiervorrichtung bei Einbau in einem Mikroskop; 2 an overview of the sorting device according to the invention when installed in a microscope;

3 eine erste schematische Darstellung der durch die optische Pinzette verursachten Kräfte auf ein Vollkügelchen; 3 a first schematic representation of the forces caused by the optical tweezers on a solid sphere;

4 eine zweite schematische Darstellung der durch die optische Pinzette verursachten Kräfte auf ein Vollkügelchen; 4 a second schematic representation of the forces caused by the optical tweezers on a full sphere;

5 ein Durchlichtbild auf eine basophile Leukämiezelle der Ratte, RBL-Zelle, und Darstellung der Geschwindigkeitskomponenten der optischen Pinzette in x- und y-Richtung; 5 a transmitted image on a basophilic leukemia cell of the rat, RBL cell, and representation of the speed components of the optical tweezers in the x and y direction;

6 Sequenzen von Bildern einer Zelle in verschiedenen Stadien der digitalen Bildauswertung; 6 Sequences of images of a cell at various stages of digital image analysis;

7 eine Durchlichtdarstellung eines Pfades eines Kügelchen mit einem Durchmesser von 5 μm; 7 a transmitted light representation of a path of a bead with a diameter of 5 microns;

8 eine Durchlichtdarstellung eines Pfades einer RBL-Zelle bei Manipulation mittels der optischen Pinzette. 8th a transmitted light representation of a path of an RBL cell manipulated by the optical tweezers.

Mit Bezug auf 1 soll zunächst das allgemeine Grundprinzip der erfindungsgemäßen Sortiervorrichtung erläutert werden. Eine miniaturisierte Durchflusszelle 104, die aus einem transparenten Material besteht, weist ein Kanalsystem zum Durchströmen mit einer Probenlösung auf. Dabei ist der Hauptkanal 108 von einem laminaren Strom aus einer Probenlösung mit den injizierten zu sortierenden Partikeln 110 durchströmt. Ein erster Eingangskanal A führt die Trägerlösung zu, während die Partikel 110 durch einen zweiten Eingangskanal B in das System eingegeben werden. Der Pfeil 112 versinnbildlicht dabei die generelle Strömungsrichtung. Der Hauptkanal 108 teilt sich an seinem Ende in Strömungsrichtung in zwei Ausgangskanäle, C und D. Selbstverständlich sind die erfindungsgemäßen Prinzipien auch auf mehr als zwei Ausgangskanäle übertragbar, wenn entsprechend mehr Komponenten separiert werden sollen.Regarding 1 Let us first explain the general basic principle of the sorting device according to the invention. A miniaturized flow cell 104 , which consists of a transparent material, has a channel system for flowing through with a sample solution. Here is the main channel 108 from a laminar flow of a sample solution with the injected particles to be sorted 110 flows through. A first input channel A carries the carrier solution while the particles 110 be entered through a second input channel B in the system. The arrow 112 symbolizes the general flow direction. The main channel 108 divides at its end in the flow direction in two output channels, C and D. Of course, the principles of the invention are transferable to more than two output channels, if more components are to be separated accordingly.

Wie in 1 schematisch angedeutet, wird erfindungsgemäß die Durchflusszelle 104 im Bereich des Hauptkanals 108 von einer dynamischen optischen Pinzette, also einem Laserstrahl mit starker Fokussierung, 114, durchdrungen. Ein Infrarotlaser wird dabei durch ein Mikroskopobjektiv mit hoher numerischer Apparatur (NA) fokussiert. Auf diese Art und Weise werden hohe Feldgradienten in dem Hauptkanal 108 erzeugt. Kügelchen oder Zellmembranen, allgemein Partikel 110, die sich in dem Fokusbereich befinden, erfahren starke Kräfte quer zu der Strahlachse, d. h. in lateraler Richtung. Der Pfeil 113, welcher senkrecht zur Strömungsrichtung 110 gerichtet ist, zeigt die Auslenkungsrichtung der Falle quer zur Strömungsrichtung an. Die entscheidenden lateralen Kräfte quer zur Strahlachse werden erst durch die Verschiebung der Falle ermöglicht.As in 1 schematically indicated, according to the invention, the flow cell 104 in the area of the main canal 108 from a dynamic optical tweezers, so a laser beam with strong focus, 114 , penetrated. An infrared laser is focused by a microscope objective with high numerical apparatus (NA). In this way, high field gradients become in the main channel 108 generated. Globules or cell membranes, generally particles 110 , which are in the focus area, experience strong forces transverse to the beam axis, ie in the lateral direction. The arrow 113 which is perpendicular to the flow direction 110 is directed, indicates the deflection direction of the trap transversely to the flow direction. The decisive lateral forces transverse to the beam axis are made possible only by the displacement of the trap.

Durch die Möglichkeit, die Fokussierung der optischen Pinzette 114 mittels des Objektivs vorzunehmen, eröffnet sich für die erfindungsgemäße Lösung die Möglichkeit, diese in einem handelsüblichen Durchlichtmikroskop zu integrieren.By the possibility of focusing the optical tweezers 114 made by the lens, opened up for the inventive solution the ability to integrate them in a commercially available transmitted light microscope.

Die Durchflusszelle 104 wird vorteilhafterweise mit Hilfe eines Softlithographieprozesses hergestellt. Ein SU-8 Negativphotoresist wird mittels UV-Licht strukturiert, anschließend wird Polydimethylsiloxan, PDMS, darüber vergossen und ausgeheizt. Nachdem das strukturierte PDMS mittels eines Sauerstoffplasmas aktiviert wurde, wird es mit einer Standardobjektträgerplatte verbunden. Anschlussschläuche werden an den Ein- und Auslässen der Eingangs- und Ausgangskanäle A, B, C, D angebracht. Der Hauptkanal weist bei dieser Anordnung eine Querschnittsfläche von beispielsweise 50 × 50 μm2 auf und die Durchflussgeschwindigkeit kann hydrostatisch eingestellt werden.The flow cell 104 is advantageously produced by means of a soft lithography process. An SU-8 negative photoresist is patterned by means of UV light, then polydimethylsiloxane, PDMS, is poured over it and baked. After the structured PDMS has been activated by means of an oxygen plasma, it is connected to a standard slide plate. Connecting hoses are attached to the inlets and outlets of the input and output channels A, B, C, D. In this arrangement, the main channel has a cross-sectional area of, for example, 50 × 50 μm 2 , and the flow rate can be adjusted hydrostatically.

Mit Bezug auf 2 soll im Folgenden die erfindungsgemäße Sortiervorrichtung 100 gemäß einer ersten an einem handelsüblichen Mikroskop anbringbaren Ausführungs form erläutert werden. Dabei wird teilweise das Linsensystem des Mikroskops 102 genutzt.Regarding 2 the following is the sorting device according to the invention 100 be explained form according to a first attachable to a commercial microscope execution form. This is partially the lens system of the microscope 102 used.

Erfindungsgemäß wird die mit Bezug auf 1 beschriebene Durchflusszelle 104 auf dem Objekttisch 106 fixiert. Bei der hier gezeichneten Anordnung werden zwei Lichtquellen 116 und 118 verwendet, die alternierend die Durchflusszelle 104 beleuchten. Eine beispielsweise im Grünen strahlende Lichtquelle dient als Hellfeldbeleuchung und wird für die Erfassung der Partikelpositionierung sowie für die Ansteuerung der optischen Pinzette benötigt.According to the invention with reference to 1 described flow cell 104 on the stage 106 fixed. In the arrangement drawn here are two light sources 116 and 118 used that alternately the flow cell 104 illuminate. For example, a light source radiating in the green serves as a bright field illumination and is required for the detection of the particle positioning as well as for the control of the optical tweezers.

Die zweite Lichtquelle 118 kann in einem blauen Wellenlängenbereich Strahlung emittieren, um Fluoreszenz in dem Partikel anzuregen. Diese Fluoreszenzstrahlung wird für eine Klassifizierung der Partikel verwendet. In jedem Fall wird die durch die Tubuslinse TL fallende Strahlung mittels eines Umlenkspiegels und eines Filters F2 von einer CCD-Kamera 120 erfasst und ausgewertet.The second light source 118 can emit radiation in a blue wavelength range to excite fluorescence in the particle. This fluorescence radiation is used for a classification of the particles. In any case, the radiation falling through the tube lens TL by means of a deflection mirror and a filter F2 from a CCD camera 120 recorded and evaluated.

Ein im infraroten Wellenlängenbereich strahlender Laser 122 ist Teil der optischen Pinzette. Mit Hilfe einer Scanneranordnung 115, die erfindungsgemäß einen beweglichen Spiegel SM und eine Linse SL umfasst, kann der Fokus des Lasers erfindungsgemäß innerhalb des Hauptkanals 108 der Durchflusszelle 104 sowohl in x- wie auch in y-Richtung verschoben werden. Die Verschiebung kann beispielsweise ±40 μm mit einer Rate von etwa einem kHz betragen. In der 2 nicht dargestellt ist eine elektronische Steuereinheit, die entsprechend der durch die CCD-Kamera 120 gewonnenen Information über die Position des zu sortierenden Partikels die Scannereinheit ansteuert, um gezielt das detektierte und analysierte Partikel auszulenken.A laser radiating in the infrared wavelength range 122 is part of the optical tweezers. With the help of a scanner arrangement 115 according to the invention comprises a movable mirror SM and a lens SL, the focus of the laser according to the invention within the main channel 108 the flow cell 104 be moved in both the x and in the y direction. The displacement may be, for example, ± 40 μm at a rate of about one kHz. In the 2 not shown is an electronic control unit according to the by the CCD camera 120 obtained information about the position of the particle to be sorted controls the scanner unit to selectively deflect the detected and analyzed particles.

Die in 2 dargestellte Anordnung umfasst außerdem zwei Strahlteiler D1, D2 (sogenannte dichroitische Strahlteiler), die für einen bestimmten Wellenlängenbereich reflektierend wirken, für andere Wellenlängenbereiche aber transparent sind. So erlaubt der Strahlteiler D1 das Hindurchtreten der blauen Fluoreszenzanregungsstrahlung der zweiten Lichtquelle 118, ist aber für die Strahlung des IR-Lasers undurchlässig, sodass diese ins Innere des Mikroskops und zum Strahlteiler D2 umgelenkt wird. Der Strahlteiler D2 reflektiert sowohl die Fluoreszenzanregungsstrahlung, wie auch das Licht des Lasers 122 durch die Objektivlinse OL in den Hauptkanal der Durch flusszelle 104. Für die Hellfeldstrahlung der Lichtquelle 116 jedoch ist der Strahlteiler D2 ebenso transparent wie für die gegebenenfalls an den Partikeln angeregte Fluoreszenzstrahlung. Diese Strahlung wird über den Mikroskopspiegel M2 zur CCD-Kamera 120 geleitet.In the 2 The arrangement shown also comprises two beam splitters D1, D2 (so-called dichroic beam splitters), which have a reflective effect for a certain wavelength range but are transparent to other wavelength ranges. Thus, the beam splitter D1 allows the passage of the blue fluorescence excitation radiation of the second light source 118 , but is impermeable to the radiation of the IR laser, so that it is deflected into the interior of the microscope and to the beam splitter D2. The beam splitter D2 reflects both the fluorescence excitation radiation and the light of the laser 122 through the objective lens OL in the main channel of the flow cell 104 , For the bright field radiation of the light source 116 However, the beam splitter D2 is as transparent as for the optionally excited on the particles fluorescence radiation. This radiation is via the microscope mirror M2 to the CCD camera 120 directed.

Erfindungsgemäß wird der Fokus der optischen Pinzette 114, je nachdem, welche geometrische Position und welche Art von Partikel die Analyse durch die als optische Detektionseinheit fungierende CCD-Kamera ergeben hat, so bewegt, dass das Partikel der Bewegung folgt und von einer detektierten Ist-Position in der laminaren Strömung des Hauptkanals 108 in eine gewünschte Zielposition bewegt wird. Die Bewegung der optischen Pinzette ist dabei prinzipiell in allen drei Raumrichtungen x, y und z möglich, wobei für die Auslenkung des Fokus in z-Richtung ein piezoelektrischer akusto-optischer Deflektor eingesetzt werden muss. Bei der in 1 dargestellten Anordnung werden beispielsweise heller dargestellte erste Partikel 109 in den Ausgangskanal C bewegt, während die dunkler dargestellten zweiten Partikel 111 in Richtung auf den Ausgangskanal D bewegt werden, wie dies durch den Auslenkpfeil 113 angedeutet ist.According to the invention, the focus of the optical tweezers 114 Depending on which geometric position and which type of particle has resulted in the analysis by the CCD camera functioning as an optical detection unit, the particle moves according to the movement and from a detected actual position in the laminar flow of the main channel 108 moved to a desired target position becomes. The movement of the optical tweezers is in principle possible in all three spatial directions x, y and z, wherein a piezoelectric acousto-optic deflector must be used for the deflection of the focus in the z-direction. At the in 1 arrangement shown, for example, lighter first particles shown 109 moved into the output channel C, while the darker second particles 111 be moved in the direction of the output channel D, as by the Auslenkpfeil 113 is indicated.

Wie bereits erwähnt, können aber auch mehr als nur zwei Sorten Partikel sortiert werden, wenn mehr als zwei Ausgangskanäle C, D vorgesehen werden.As already mentioned, but can also do more than just Two varieties of particles are sorted when more than two output channels C, D are provided.

Mit Bezug auf die 3 und 4 sollen nachfolgend die Kräfte, die durch die fokussierte Strahlung der optischen Pinzette auf die zu sortierenden Partikel ausgeübt werden, näher betrachtet werden. Dabei sind die Kraftverhältnisse in diesen Figuren für Kügelchen aus homogenem Material dargestellt. Für derartige Partikel mit einem Durchmesser, der sehr viel größer ist als die Wellenlänge der optischen Pinzette, können die auftretenden optischen Kräfte mit Hilfe der Strahlenoptik modelliert werden. Man bezeichnet solche Partikel auch als Mie-Partikel und geht davon aus, dass zwar nach wie vor die Gradientenkräfte wirken, diese aber leichter durch den Impulsübertrag der Photonen auf das Objekt illustrierbar sind. Die Photonen werden dabei in den Partikeln nicht absorbiert, sondern nur an den Grenzflächen reflektiert und gebrochen.With reference to the 3 and 4 In the following, the forces exerted on the particles to be sorted by the focused radiation of the optical tweezers will be considered in greater detail. The force ratios in these figures are shown for globules of homogeneous material. For such particles with a diameter which is much larger than the wavelength of the optical tweezers, the occurring optical forces can be modeled using the beam optics. These particles are also referred to as Mie particles and assume that although the gradient forces still act, they are more easily illustrated by the momentum transfer of the photons to the object. The photons are not absorbed in the particles, but only reflected and broken at the interfaces.

Eine rechnerische Behandlung der an einer Zellmembran auftretenden Kräfte ist beispielsweise dem Aufsatz Robert C. Gauthier: „Computation of the optical trapping force using an FDTD based technique”, 16 May 2005, Vol. 13, No. 10, OPTICS EXPRESS 3707–3718 , zu entnehmen.An arithmetical treatment of the forces occurring on a cell membrane, for example, the essay Robert C. Gauthier: "Computation of the optical trapping force using FDTD based technique", 16 May 2005, Vol. 10, OPTICS EXPRESS 3707-3718 , refer to.

Die optische Kraftdichte berechnet sich zu f →opt = ħg →/Δtwobei g der Nettoimpuls ist, der auf das Partikel wirkt. Integration über das gesamte Partikel, F →opt = ∫Af →dA, liefert die optische Gesamtkraft. Diese muss groß genug sein, um die entgegengesetzt wirkende hydrodynamische Reibungskraft F →frict = 6παη·ν, die durch den Radius a des Partikels, die Viskositärt η der Flüssigkeit und die Ziehgeschwindigkeit v bestimmt ist, zu überwinden.The optical power density is calculated to f → opt = ħg → / Δt where g is the net momentum acting on the particle. Integration over the entire particle, F → opt = ∫ A f → dA, provides the total optical force. This must be large enough to overcome the oppositely acting hydrodynamic frictional force F → frict = 6παη · ν, which is determined by the radius a of the particle, the viscosity η of the liquid and the drawing speed v.

Bei der Darstellung der 3 liegt der Fokus des Lasers mit seinem Brennpunkt F im Inneren des sphärischen Partikels oberhalb des Mittelpunkts. Der Strahl wird an den Grenzflächen gebrochen und durch vektorielle Addition erhält man eine Nettokraft in Richtung des Brennpunktes, also in der 3 nach oben.In the presentation of 3 the focus of the laser is at its focal point F inside the spherical particle above the center. The beam is refracted at the interfaces and by vectorial addition one obtains a net force in the direction of the focal point, ie in the 3 up.

Die 4 zeigt eine seitliche Verschiebung, bei der wiederum das Teilchen in Richtung des Brennpunktes gezogen wird, was durch den nach links gerichteten Pfeil g symbolisiert wird. Das heißt, die Partikel werden immer in Richtung auf den Brennpunkt der optischen Pinzette bewegt. Die Gesamtkraft auf das Partikel F →opt = ∫f →dA muss, wie bereits erwähnt, groß genug sein, um die hydrodynamische Reibungskraft zu überwinden.The 4 shows a lateral displacement, in which again the particle is pulled in the direction of the focal point, which is symbolized by the leftward arrow g. That is, the particles are always moved toward the focal point of the optical tweezers. The total force on the particle F → opt = ∫f → dA must, as already mentioned, be large enough to overcome the hydrodynamic frictional force.

Die erfindungsgemäße Sortiervorrichtung ist grundsätzlich für alle Suspensionszellen geeignet, also für Zellen, die nicht auf einem Substrat fixiert sind und auch nicht in größeren Verbänden, wie beispielsweise Ketten, vorkommen. Neben den für die nachfolgenden beipielhaften Experimente verwendeten basophilen Leukämiezellen der Ratte, RBL-Zellen, sind z. B. auch Hefezellen derartige Suspensionszellen. Die erreichbaren Geschwindigkeiten liegen bei einigen 100 μm/s.The Inventive sorting device is basically suitable for all suspension cells, that is for Cells that are not fixed on a substrate or not in larger associations, such as Chains, happen. In addition to those for the following examples Experiments used rat basophilic leukemic cells, RBL cells are e.g. As well as yeast cells such suspension cells. The achievable speeds are several 100 μm / s.

Die erfindungsgemäße optische Sortiervorrichtung erlaubt es, aufgrund der starken Fokussierung des Lasers, Zellen nur an ihrer Membran anzugreifen. Hierzu wird mit Hilfe der optischen Detektionseinheit, die bei der Darstellung der 2 durch die Lichtquelle 116 und die zugehörige CCD-Kamera 120 gebildet ist, die Position der Zellmembran in der laminaren Strömung des Hauptkanals 108 bestimmt.The optical sorting device according to the invention makes it possible to attack cells only on their membrane due to the strong focusing of the laser. For this purpose, with the aid of the optical detection unit, which in the representation of 2 through the light source 116 and the associated CCD camera 120 is formed, the position of the cell membrane in the laminar flow of the main channel 108 certainly.

5. zeigt in der Übersicht ein Durchlichtbild auf den Hauptkanal mit einer RBL-Zelle darin sowie schematisch die Fallengeschwindigkeiten in x- und y-Richtung. Die RBL-Zelle hat einen Radius a und bewegt sich durch die Strömung in Flussrichtung 112 (hier als die x-Richtung angenommen) mit der Geschwindigkeit VTransport. Um beim Sortieren einen möglichst geringen Strömungswiderstand überwinden zu müssen, bewegt sich erfindungsgemäß die optische Pinzette während des gesamten Sortiervoganges ebenfalls mit dieser Geschwindigkeit in x-Richtung. 5 , shows in the overview a transmitted light image on the main channel with an RBL cell in it and schematically the trapping speeds in the x and y direction. The RBL cell has a radius a and moves through the flow in the direction of flow 112 (assumed here as the x direction) with the velocity V transport . In order to overcome the lowest possible flow resistance when sorting, according to the invention, the optical tweezers also moves at this speed in the x-direction during the entire sorting process.

Zum Zeitpunkt ➀ wird die optische Pinzette in y-Richtung beschleunigt, bis sie um die Strecke b ausgelenkt ist (Zeitpunkt ➁). Dann zieht die optische Pinzette mit konstanten Geschwindigkeiten in x- und y-Richtung, bis eine ausreichende Auslenkung des Partikels in die angestrebte Sollposition erreicht ist. Zum Zeitpunkt ➂ wird die optische Pinzette von dem Partikel abgekoppelt und dieses wird von der laminar strömenden Probenlösung zu dem entsprechenden Ausgangskanal transportiert. In der gezeigten Anordnung entspricht die Strecke b, über die hinweg eine Beschleunigung der optischen Pinzette erfolgt, in etwa dem Zellradius a. Allerdings ist für einen Fachmann klar, dass auch andere Werte eingestellt werden können.At time ➀, the optical tweezers are accelerated in the y-direction until they are deflected by the distance b (time ➁). Then, the optical tweezers pulls at constant speeds in the x and y direction until a sufficient deflection of the particle is achieved in the desired target position. At time ➂, the optical tweezers are decoupled from the particle and transported from the laminar sample solution to the corresponding exit channel. In the arrangement shown, the distance b over which an acceleration of the optical tweezers takes place corresponds approximately to the cell radius a. However, it is clear to a person skilled in the art that other values are also set you can.

6 zeigt die einzelnen Auswerteschritte I bis IV, die dabei durch eine digitale Bildverarbeitung durchgeführt werden. Basierend auf der gewonnenen Information wird der Laser auf die Membran der Zelle fokussiert und anschließend mittels des Scannerspiegels SM ausgelenkt, um die Zelle, an ihrer Membran angreifend, an eine gewünschte Zielposition in dem laminaren Strom zu ziehen. 6 shows the individual evaluation steps I to IV, which are carried out by a digital image processing. Based on the information obtained, the laser is focused on the membrane of the cell and then deflected by means of the scanner mirror SM to pull the cell, acting on its membrane, to a desired target position in the laminar flow.

Die Kräfte, die auf eine Zellmembran wirken, sind proportional zu dem Intensitätsgradienten der Strahlung. Die Membran der Zelle besitzt einen höheren Brechungsindex als die umgebende Lösung und auch einen höheren Brechungsindex als das Zellinnere.The Forces acting on a cell membrane are proportional to the intensity gradient of the radiation. The membrane The cell has a higher refractive index than the cell surrounding solution and also a higher refractive index as the cell interior.

7 zeigt durch die Überlagerung mehrerer Bilder den Weg eines homogen Kügelchens mit einem Durchmesser von 5 μm, das von der Eingangskanalseite A des Hauptkanals auf die Ausgangskanalseite D gezogen wird. 7 shows by the superposition of multiple images the path of a homogeneous bead with a diameter of 5 microns, which is drawn from the input channel side A of the main channel to the output channel side D.

Demgegenüber zeigt 8 die Verhältnisse für eine RDL-Zelle, wobei hier Geschwindigkeiten von 250 μm/s erreicht werden, wenn die Laserleistung im Fokus 28 mW beträgt. Bekannt ist, dass Laserleistungen bis 100 mW von der Zelle toleriert werden können, ohne sie signifikant zu schädigen. Mit diesem Wert von 28 mW Laserleistung kann eine Sortierrate von bis zu 10 Zellen pro Sekunde erreicht werden, wenn die Zellen am Eingangskanal B dicht und kontinuierlich vorliegen.In contrast, shows 8th the ratios for an RDL cell, where speeds of 250 microns / s are achieved here, when the laser power in focus is 28 mW. It is known that laser powers up to 100 mW can be tolerated by the cell without significantly damaging it. With this value of 28 mW laser power, a sorting rate of up to 10 cells per second can be achieved if the cells on the input channel B are dense and continuous.

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Claims (16)

Sortiervorrichtung zum Sortieren von Partikeln umfassend: eine miniaturisierte Durchflusszelle (104) mit einem Kanal, der im Betrieb laminar von einer die zu sortierenden Partikel (110) enthaltenden Probenlösung durchströmt wird; mindestens eine optische Detektionseinheit (116, 118, 120) zum Bestimmen einer geometrischen Position der zu sortierenden Partikel und zum optischen Klassifizieren der zu sortierenden Partikel; eine auslenkbare optische Pinzette zum sequentiellen Sortieren der klassifizierten Partikel durch gezieltes Bewegen des Partikels aus der detektierten Position in eine vorbestimmte Zielposition in dem laminaren Probenlösungsstrom.Sorting device for sorting particles comprising: a miniaturized flow cell ( 104 ) with a channel that is laminar in operation by a particle to be sorted ( 110 ) is flowed through the sample solution containing; at least one optical detection unit ( 116 . 118 . 120 ) for determining a geometric position of the particles to be sorted and for optically classifying the particles to be sorted; a deflectable optical tweezer for sequentially sorting the classified particles by selectively moving the particle from the detected position to a predetermined target position in the laminar sample solution stream. Sortiervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die optische Pinzette über einen Spiegel oder einen akusto-optischen Deflektor auslenkbar ist.Sorting apparatus according to claim 1, wherein the optical Tweezers over a mirror or an acousto-optic Deflector is deflectable. Sortiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Detektionseinheit eine erste Lichtquelle (116) umfasst, um die Durchflusszelle zu durchleuchten, sowie eine digitale Bildverarbeitungseinheit (120), um ein Durchlichtbild der Durchflusszelle auszuwerten.Sorting apparatus according to claim 1 or 2, wherein the optical detection unit comprises a first light source ( 116 ) to scan the flow cell, and a digital image processing unit ( 120 ) to evaluate a transmission image of the flow cell. Sortiervorrichtung nach Anspruch 3, wobei die digitale Bildverarbeitungseinheit eine Charge Couped Device, CCD, -Kamera umfasst.Sorting apparatus according to claim 3, wherein the digital Image processing unit a charge Couped Device, CCD, camera includes. Sortiervorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die erste Lichtquelle (116) eine Licht emittierende Diode, LED, umfasst.Sorting apparatus according to claim 3 or 4, wherein the first light source ( 116 ) comprises a light-emitting diode, LED. Sortiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die digitale Bildverarbeitungseinheit angepasst ist, eine Position eines Außenbereichs der zu sortierenden Partikel zu identifizieren.Sorting device according to at least one of the claims 3 to 5, wherein the digital image processing unit is adapted, a position of an outer area of the particles to be sorted to identify. Sortiervorrichtung nach Anspruch 6, wobei die dynamische optische Pinzette ansteuerbar ist, um in Antwort auf die identifizierte Position des Au ßenbereichs der zu sortierenden Partikel auf den Außenbereich fokussiert zu werden.Sorting apparatus according to claim 6, wherein the dynamic optical tweezers is driven to respond in response to the identified Position of the outer area of the particles to be sorted to be focused on the outdoors. Sortiervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die optische Detektionseinheit zum Detektieren fluoreszenzmarkierter Partikel eingerichtet ist.Sorting device according to at least one of the preceding Claims, wherein the optical detection unit for detecting fluorescence-labeled particles is set up. Sortiervorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die optische Detektionseinheit eine zweite Lichtquelle (118) umfasst, die separat von der ersten Lichtquelle angeordnet ist.Sorting device according to at least one of claims 3 to 8, wherein the optical detection unit comprises a second light source ( 118 ) disposed separately from the first light source. Sortiervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dynamische optische Pinzette einen stark fokussierten Fanglaser (122) oder eine Laserdiode umfasst.The sorting device according to at least one of the preceding claims, wherein the dynamic optical tweezers comprise a highly focused capture laser ( 122 ) or a laser diode. Sortiervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Durchflusszelle mindestens einen Zuführkanal (A, B) und mindestens zwei Ausgangskanäle (C, D) umfasst und die dynamische optische Pinzette betreibbar ist, das zu sortierende Partikel entsprechend einem Ausgangssignal der optischen Detektionseinheit zu einem ausgewählten Ausgangskanal zu bewegen.Sorting device according to at least one of the preceding Claims, wherein the flow cell at least one feed channel (A, B) and at least two output channels (C, D) comprises and The dynamic optical tweezers are operable to sort Particles corresponding to an output signal of the optical detection unit to move to a selected output channel. Sortiervorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, die so ausgebildet ist, dass sie an einem handelsüblichen Mikroskop (102) montierbar ist.Sorting device according to at least one of the preceding claims, which is designed such that it can be attached to a commercially available microscope ( 102 ) is mountable. Verfahren zum Sortieren von Partikeln mit den folgenden Schritten: Transportieren einer die zu sortierenden Partikel enthaltenden Probenlösung in einem laminaren Probenlösungsstrom; Bestimmen einer geometrischen Position und optisches Klassifizieren der zu sortierenden Partikel; sequentielles Sortieren der klassifizierten Partikel durch gezieltes Bewegen des Partikels mittels einer dynamischen optischen Pinzette in eine vorbestimmte Zielposition in dem laminaren Probenlösungsstrom.Method for sorting particles with the following steps: Transporting a particle to be sorted containing sample solution in a laminar sample solution stream; Determine a geometric position and optical classification of the sorting particles; sequential sorting of the classified Particles by targeted movement of the particle by means of a dynamic optical tweezers to a predetermined target position in the laminar Sample solution flow. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Schritt des Bestimmens einer geometrischen Position und des optischen Klassifizierens der zu sortierenden Partikel umfasst: Durchleuchten eines Teils des Probenlösungsstroms und Auswerten eines Durchlichtbildes mittels einer digitalen Bildverarbeitungseinheit.The method of claim 13, wherein the step of Determining a geometric position and the optical classifying the particle to be sorted comprises: Examining a part the sample solution current and evaluate a transmitted light image by means of a digital image processing unit. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die digitale Bildverarbeitungseinheit eine Position eines Außenbereichs der zu sortierenden Partikel identifiziert.The method of claim 14, wherein the digital image processing unit a position of an outer area of the particles to be sorted identified. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die dynamische optische Pinzette in Antwort auf die identifizierte Position des Außenbereichs der zu sortierenden Partikel auf den Außenbereich fokussiert wird.The method of claim 15, wherein the dynamic optical tweezers in response to the identified position of the Outside area of the particles to be sorted on the outside area is focused.
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